[운영체제] Contiguous Allocation과 MMU(Memory Management Unit)

 

목차

• 🤔  MMU(Memory Management Unit)란?
• 💙  연속 할당(Contiguous allocation)
• 💜  Memory protection fault

 

🤔  MMU(Memory Management Unit)란?

MMU(Memory Management Unit)는 CPU 내부에 탑재되어 논리 주소(Logical Address)를 실제 메모리의 물리 주소(Physical Address)로 변환해주는 하드웨어입니다.

 

'Execution time binding'

이전 포스팅에 공부했듯이, Execution time binding은 실제로 명령어를 실행하는 시점에 주소 변환을 하는 Address binding 기법입니다.

위 그림에서는 0x198000번지에 저장되어 있는 data에 10을 저장하기 위해 store #98000, 10 명령어를 사용하고 있습니다.

하지만 명령어의 주소를 보면 알 수 있듯이 98000번지를 참조한다고 작성되어 있지만, 이는 상대 주소, 논리 주소로 실제 data의 물리 주소가 아닙니다.

그렇기 때문에 CPU는 명령을 실행할 때, MMU를 거쳐서 상대주소에 프로그램의 시작 주소를 base로 더하여 물리 주소를 필요한 순간마다 변환합니다. (= Base + 논리 주소)

이러한 방식은 Load time binding과 달리, 메모리에 프로그램을 올릴 때 주소 변환을 한 번에 하지 않기 때문에 메모리 적재 시 오버헤드가 감소한다는 사실을 알 수 있었습니다.

 

다시 말해, Contiguous allocation을 사용하는 과정에서 MMU가 논리 주소를 물리 주소로 변환해주는 과정을 대신해줍니다.

 

💜   Memory protection fault

'MMU의 주소 변환 과정'

MMU는 위에서 설명한 주소 변환뿐만 아니라 논리 주소가 올바른 메모리 주소를 참조하려고 하는가에 대해서도 검증하는 역할을 수행합니다.

위 그림처럼 CPU가 만들어낸 Logical address가 Base address보다 크거나 같은지, Base + Limit 보다 작은지 확인하는 과정을 거칩니다.

여기서 base register에는 프로세스의 시작 주소, limit register에는 프로세스의 크기가 담겨 있습니다.

즉, 메모리에서 프로세스의 범위를 벗어나지 않는지 검증하는 과정을 거치고 나서, 변환한 값을 CPU의 PC로 가져오는 것입니다.

 

기본적으로 OS는 한 프로세스가 다른 프로세스의 메모리 영역을 침범하는 것을 허용하지 않습니다.

그런데 만약 범위를 벗어나는 논리 주소가 전달되면 Memory protection fault가 발생합니다.

Memory protection fault는 CPU가 자신에게 발생시키는 Interrupt입니다.

CPU는 CPU Dispatcher가 PC로 가져온 명령어를 실행시키는 기능밖에 하지 못하기 때문에 이러한 예외 상황에서 무언가 조치할 수 있는 방법이 없습니다.

그렇기 때문에 CPU는 자기 자신에게 인터럽트를 발생시켜서 OS가 대신 처리하도록 요청하는 것입니다.

이를 Memory protection fault 또는 Exception, trap이라고 부릅니다.

 

 

💙   연속 할당(Contiguous allocation)

위에서 MMU의 주소 변환 과정은 모두 연속 할당인 경우에 해당이 됩니다.

 

그렇다면 연속 할당(Contiguous allocation)은 무엇일까요?

우선, 최신 OS와 달리, 과거에는 프로그램을 메모리에 통째로 올리는 방법을 채택했습니다.

 

'Memory에 하나의 프로세스가 연이어 존재함'

0x100000번지에 프로그램을 적재시켰다면 메모리 사이사이에 또 다른 프로세스가 섞여 있지 않고 오직 하나의 프로세스가 연이어 존재하는 것입니다.

그렇기 때문에 Contiguous allocation 기법을 사용하면, MMU는 단순히 Base(0x100000) 레지스터의 값에 논리 주소(0x98000)를 더해주기만 하면 물리주소(0x198000)를 구할 수 있었습니다.

 

Simplicity comes at a loss.

하지만 단순함에는 손실이 따르는 경우가 대부분입니다.

Contiguous allocation은 MMU를 보다 단순화할 수 있다는 장점이 있지만 오히려 사이사이에 생기는 빈 메모리 공간(Hole)을 효율적으로 사용하지 못하는 외부 단편화(External fragmentation) 이슈가 발생합니다.

다시 말하자면, OS는 HW 자원을 최대한 효율적으로 사용하는 것이 목적인데, 연속 할당 기법은 단순함만 제공할 뿐 효율을 얻지는 못하는 것입니다.

 

다음 포스팅에서는 Contiguous allocation 기법을 사용함으로써 발생하는 외부 단편화에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

github : https://github.com/tmdgh1592

tmdgh1592 - Overview